[에너지 - 수소 #5] IRENA Innovation Outlook Ammonia 2022 - 제1장 암모니아 시장현황 - 암모니아 활용

질소 비료는 오늘날 총 암모니아 수요의 약 80%를 차지하며 비료 이외는 화학 물질, 플라스틱 및 섬유 제조(아크릴로니트릴, 멜라민)와 광업(저밀도 질산암모늄 폭발물, 금속 광택 공정), 의약품; 냉각; 폐기물 처리; 및 질소 산화물(NOX) 저감과 같은 공기 처리 등 임

 

 

비료 시장에서 암모니아의 사용은 Haber-Bosch 합성 공정의 규모 확대에 따라 1920년대에 시작되었지만 암모니아는 이미 1850년부터 냉매로 사용됨

• 현재 북미에서는 연간 약 0.36Mt의 암모니아가 냉매로 사용되며 유독성 화학물질이므로 주의깊게 관리해야 하지만 GWP(지구 온난화 잠재성) 0이라는 장점이 있음

 

암모니아는 무탄소 연료 및 수소 운반체로 각광받고 있음

 

 

[그림 1] 암모니아 생산 및 활용

 

 

암모니아 합성을 위한 Haber-Bosch 공정은 1900년대와 1920년대에 발명 및 상업화 이후 현재 암모나이 생산을 위한 주요 공정으로 활용 중임

• 1940~1950년대부터 천연가스를 연료로한 Haber-Bosch 공정을 통해 암모니아 생산의 규모의 경제를 달성하였음
• 이는 증가하는 인구에 대응하여 식량 생산확대가 필요했던 농업분야에 적절한 암모니아 기반 비료를 지원가능케 함*

* 수년에 걸쳐 암모니아 유래 비료는 현대 농업에 없어서는 안될 필수품이 되었으며 현재 세계 인구의 약 절반의 식품생산을 위한 주요 재료임

 

 

요소(CO[NH2]2)는 생성되는 모든 암모니아의 약 55%를 차지하고 질산암모늄(NH4NO3)은 약 15%*를 차지하며 각 지역별로 선호하는 비료가 상이함

• 질산염은 유럽에서 비료 사용의 거의 절반을 차지하는 반면, 미국은 총 비료사용량 중 암모니아 직접 활용이 1/4에 달함. 그 외 지역에서는 주로 요소를 사용함

* 다른 질소 비료에는 다양한 질산염, 인산일암모늄 및 인산이암모늄, 황산암모늄뿐만 아니라 질소를 칼륨 및 인산염과 같은 다른 주요 영양소와 혼합하는 요소 질산암모늄 용액 및 NPK 비료와 같은 질소 비료의 혼합물 등이 있음

 

[그림 2] 질소비료 종류 및 지역별 이용 현황

 

 

각 비료의 화학식 형태가 상이하므로 탈탄소화를 위해서는 비료마다 방안이 필요

• 질산암모늄(NH4NO3)은 암모니아와 암모니아에서 생성된 중간체인 질산에서 생성되며 질산암모늄은 모든 무기 질산염 비료의 빌딩 블록이며 탄소를 포함하지 않으므로 암모니아 공급원료를 탈탄소화할 필요가 있음
• 반면에 요소는 암모니아와 CO2를 결합하여 생성됨
• 요소에는 요소 1톤당 0.75톤의 CO2 또는 암모니아 공급원료 1톤당 약 1.3톤의 CO2 공급원료가 필요하며 이는 천연가스 개질에서 수소 생산의 부산물로 생성되는 고순도 CO2 흐름과 유사함
• 천연가스 기반 암모니아와 요소를 모두 생산하는 설비시설이 일반적이며 이를 통해 공정과정 중 CO2 배출량을 최소화함
• 요소 분자에 포함된 모든 CO2는 비료로 시용될 때 대기로 방출됨
• 요소의 탄소 발자국을 줄이는 것은 철강 또는 에너지 생산과 같은 다른 부문의 CO2를 저탄소 암모니아의 활용과 결합하여 달성 가능
• 재생 암모니아와 대기 중 CO2 또는 바이오매스와 같은 순환 탄소원을 결합
• 메탄올 또한 유사한 탈탄소화 문제가 존재하는 바, 요소의 탈탄소화 방안이 시행이 용하지 않으며 요소에서 다른 비료로의 전환을 고려할 필요가 있음
• 요소생산을 위한 바이오매스의 역할은 저비용 바이오매스로 제한되며 타 기술 또한 경제성 등의 문제로 활용이 매우 제한적임
• DAC(직접 공기 포집)를 통한 대기 중 CO2 제거는 현재 소규모 장비가 활용되며 경제성이 낮음. DAC는 향후 CO2 톤당 약 USD 65의 비용이 소요되며 해당 비용은 요소 톤당 USD 50의 추가 비용 발생을 야기함
• 현재 요소시장 가격은 2020년 톤당 USD 200~300 정도이며 CO2 정화용 DAC 사용 시 약 20%의 가격 인상이 발생함을 확인 할 수 있음

 

 

암모니아 생산에서 사용에 이르기까지 현재 시장의 가치사슬을 탈탄소화를 위해서는 상당한 인프라 변경 및 대규모 투자와 정부 지원이 필요

• 대규모 암모니아 생산업체는 이제 탄소 발자국을 줄이기 위해 노력 중
• 미국에서 1,000만 톤 규모의 최대 암모니아 생산업체인 CF Industries는 2050년까지 순수 탄소 제로 암모니아만을 생산할 것이라고 발표함
• 17개 약 850만 톤의 설비용량을 보유한 세계 2위의 노르웨이 암모니아 생산업체 Yara는 2050년까지 CO2 중립 가치 사슬을 약속함

• 탈탄소 비료 인증제도 또는 탄소세 및 탄소배출 허용량 규제 등은 탈탄소 가치사슬로의 전환을 촉진함
• 또한, 소비자 행동뿐만 아니라 대형 식품 회사의 순배출 제로 등의 행태변화를 촉진하며 이는 탈탄소 비료로의 전환을 가속화함
• 2050년까지 탄소 중립을 약속한 대형 식품 회사는 계약 농가에 의존하며, 이는 탈탄소 비료에 대한 인센티브로 작용됨

 

 

탈탄소 비료로의 전환은 농민들에게 상당한 비용이 전가되며 이에 따라 농업 생산량등에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 가치 사슬을 통해 완화되고 분배되어야 함

• 공급망 탈탄소화 외에도 농업 부문은 밭에 적용되는 질소의 절반이 현재 환경으로 배출되는 바, 이를 고려한 비료 등의 적용 및 사용이 필요
• 이는 총 농업 CO2 배출량 중 절반을 차지하는 바, 탈탄소화 비료의 경제성과 함께 새로운 비료 활용 시 농업 생산성을 기존과 같이 유지가 초점이 되어야 함

 

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